Neurophysiologie
Die Neurophysiologie ist ein Teilgebiet der Physiologie, das sich mit der Funktionsweise des menschlichen Nervensystems befasst.
Sie beschreibt das dynamische Zusammenspiel zwischen Gehirn, Rückenmark und peripheren Nerven und erklärt, wie diese Strukturen zusammenarbeiten, um grundlegende physiologische Prozesse bis hin zu fortgeschrittenen kognitiven Funktionen zu ermöglichen.
Im Kern untersucht die Neurophysiologie, wie Nervenzellen (Neurone), die grundlegenden Einheiten des Nervensystems, durch elektrochemische Signale kommunizieren, wie sie große Mengen an Informationen integrieren und wie sie präzise, koordinierte Reaktionen auf interne und externe Reize erzeugen.
Neurophysiologie | Lehre vom Nervensystem mit Schwerpunkt auf der Kommunikation zwischen Neuronen, Aktionspotentialen und der Koordination der Reaktionen des Körpers auf Reize. |
Zentrales Nervensystem (ZNS) | Umfasst das Gehirn und das Rückenmark; verantwortlich für die Verarbeitung von Sinnesinformationen und die Erzeugung von Steuersignalen. |
Peripheres Nervensystem (PNS) | Umfasst die Nerven außerhalb des ZNS; unterteilt in das somatische (willkürliche Bewegungen) und das autonome/vegetative (unwillkürliche Funktionen) System. |
Homöostase | Das Nervensystem sorgt durch Rückkopplungsmechanismen (z. B. Temperaturregulierung) für ein stabiles, inneres Gleichgewicht. |
Motorische Kontrolle | Umfasst Gehirn, Rückenmark und periphere Nerven zur Regulierung von Muskelbewegungen; wird durch den motorischen Kortex, die Basalganglien und das Kleinhirn gesteuert. |
Autonome Prozesse | Unwillkürliche Prozesse, die durch das autonome/vegetative Nervensystem gesteuert werden, einschließlich Herzfrequenz und Verdauung; unterteilt in Sympathikus („fight or flight“) und Parasympathikus („rest and digest“). |
Allgemeine Sinne | Dazu gehören Berührung, Temperatur, Schmerz, Druck und Propriozeption, die von verschiedenen Rezeptoren im ganzen Körper erfasst werden. |
Spezielle Sinne |
Sehen: Wahrnehmung von Licht durch die Augen; Verarbeitung im Okzipitallappen. Hören: Wahrnehmung von Schallwellen durch das Ohr; Verarbeitung im Temporallappen. Riechen und Schmecken: Wahrnehmung von chemischen Reizen durch Geruchsrezeptoren und Geschmacksknospen. Vestibuläre Empfindungen: Wahrnehmung von Gleichgewicht und räumlicher Orientierung über das vestibuläre System im Innenohr. |
Neuronale Signalübertragung | Neurone kommunizieren über Aktionspotentiale und die synaptische Übertragung von Neurotransmittern. |
Neurotransmitter | Chemische Botenstoffe, die sowohl erregend (z. B. Glutamat) als auch hemmend (z. B. GABA) wirken können und verschiedene Funktionen wie Stimmung, Wahrnehmung und Schlaf regulieren. |
Klinik | Alzheimer, Parkinson, Epilepsie, Multiple Sklerose, Schlaganfall, Migräne |
- Nervensystem
- Homöostase
- Motorische Kontrolle
- Sinne
- Neuronale Signalübertragung
- Neurotransmitter
- Klinik
- Literaturquellen
Nervensystem
Strukturell gesehen wird das Nervensystem in zwei Abschnitte unterteilt: das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS).
- Das ZNS umfasst das Gehirn und das Rückenmark und dient als Steuerungszentrale. Das Gehirn, das sich im Schädel befindet, ist eines der komplexesten Organe und enthält Milliarden von Neuronen, die über Billionen von Synapsen miteinander kommunizieren. Es ist für die Verarbeitung von Sinnesreizen, das Entstehen von Gedanken und das Erzeugen von Steuerbefehlen zuständig. Das Rückenmark, das von der Wirbelsäule geschützt wird, ist der wichtigste Übertragungsweg für Signale zwischen dem Gehirn und dem Rest des Körpers.
- Das PNS besteht aus Nerven, die vom Gehirn und Rückenmark zu anderen Körperteilen, einschließlich der Extremitäten und Organe, verlaufen. Es ist unterteilt in das somatische Nervensystem, das willkürliche Bewegungen steuert und sensorische Informationen weiterleitet, und das autonome/vegetative Nervensystem (ANS), das unwillkürliche Funktionen wie Herzfrequenz und Verdauung reguliert. Das ANS ist weiter unterteilt in das sympathische und das parasympathische System, die in der Regel gegensätzlich arbeiten. Das sympathische Nervensystem ist in erster Linie für die „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion des Körpers verantwortlich. Die Aktivierung des sympathischen Nervensystems führt zu physiologischen Veränderungen wie einem Anstieg der Herzfrequenz, einer Erweiterung der Pupillen und der Ausschüttung von Adrenalin. Diese Veränderungen bereiten den Körper auf schnelle, intensive körperliche Aktivitäten vor und erhöhen die Wachsamkeit und Reaktionsfähigkeit auf äußere Reize. Im Gegensatz dazu steuert das parasympathische Nervensystem die Ruhe- und Verdauungsfunktionen. Es verlangsamt die Herzfrequenz, senkt den Blutdruck und regt die Verdauungsprozesse an.
Homöostase
Eine der wichtigsten Funktionen des Nervensystems ist die Homöostase. Unter Homöostase versteht man die Fähigkeit des Körpers, trotz Veränderung der äußeren Bedingungen ein stabiles inneres Milieu aufrechtzuerhalten. Dieses Gleichgewicht ist entscheidend für das Überleben und wird durch das Nervensystem streng reguliert. Das System überwacht physiologische Variablen wie Temperatur, pH-Wert und Blutdruck und reagiert, wenn diese Variablen vom Normbereich abweichen.
Das Nervensystem nutzt Rückkopplungsmechanismen, um die Homöostase aufrechtzuerhalten. Bei der Temperaturregulierung beispielsweise nehmen Rezeptoren Veränderungen der Körpertemperatur wahr und senden Signale an den Hypothalamus, das Wärmeregulationszentrum des Gehirns. Steigt die Körpertemperatur über den Normwert an, aktiviert der Hypothalamus kühlende Mechanismen wie Schwitzen und Vasodilatation (Erweiterung der Blutgefäße), um überschüssige Wärme abzugeben. Ist die Körpertemperatur zu niedrig, reagiert er mit Frösteln und Vasokonstriktion (Verengung der Blutgefäße), um den Wärmeverlust zu minimieren. Diese negativen Rückkopplungsschleifen sind wichtig, damit der Körper innerhalb fester Parameter optimal funktionieren kann.
Motorische Kontrolle
Motorische Kontrolle bezeichnet die Fähigkeit des Nervensystems, Muskeln und Extremitäten gezielt zu steuern und zu koordinieren, um gewünschte Bewegungen auszuführen. Daran sind das Gehirn, das Rückenmark und die peripheren Nerven beteiligt.
Das Rückenmark spielt bei der motorischen Kontrolle eine Schlüsselrolle, da es als wichtigste Leitungsbahn für motorische Informationen fungiert. Es überträgt Signale zwischen dem Gehirn und den Muskeln und enthält Reflexbögen, d. h. neuronale Schaltkreise, die reflexartige Handlungen steuern. Ein Beispiel dafür ist der Patellarsehnenreflex: Ein Reflexbogen im Rückenmark, der dafür sorgt, dass das Bein als Reaktion auf einen Schlag auf die Kniescheibensehne rasch nach vorne schnellt – ganz ohne Beteiligung des Gehirns.
Willkürliche Bewegungen werden in erster Linie vom motorischen Kortex im Frontallappen gesteuert. Sobald sich eine Person bewusst zu einer Bewegung entscheidet, sendet der Motorkortex Signale über den Tractus corticospinalis an das Rückenmark, das dann die entsprechenden Muskeln ansteuert.
Die Basalganglien und das Kleinhirn spielen eine zentrale Rolle bei der Feinabstimmung von Bewegungen. Während die Basalganglien dabei helfen, Bewegungen zu initiieren und deren Intensität zu regulieren, überwacht das Kleinhirn fortlaufend den Bewegungsablauf. Es vergleicht die geplanten Aktionen mit den tatsächlich ausgeführten und nimmt bei Bedarf Korrekturen vor. So wird eine flüssige und präzise Bewegung sichergestellt.
Am motorischen Lernen, dem Prozess des Erwerbs neuer motorischer Fähigkeiten, sind das Kleinhirn und Veränderungen der synaptischen Stärke innerhalb der neuronalen Schaltkreise beteiligt.
Autonome Reaktionen sind unwillkürliche Handlungen, die vom autonomen Nervensystem (ANS) gesteuert werden, das die Aktivität der glatten Muskeln, der Herzmuskulatur und der Drüsen kontrolliert. Im Gegensatz zur willkürlichen motorischen Kontrolle steuern autonome Prozesse wesentliche Körperfunktionen wie Herzfrequenz, Verdauung und Atemfrequenz. Das ANS ist in zwei Komponenten unterteilt:
- Der Sympathikus löst die „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion (“fight or flight”) aus und bereitet den Körper auf intensive körperliche Aktivität vor, indem es die Herzfrequenz erhöht, die Pupillen erweitert und das Blut zu den Muskeln umleitet.
- Der Parasympathikus unterstützt dagegen die Ruhe- und Verdauungsreaktion (“rest and digest”), indem er die Herzfrequenz senkt, die Verdauungstätigkeit anregt und damit den Energieverbrauch in Entspannungsphasen minimiert.
Während das somatische Nervensystem die willkürlichen Bewegungen steuert, reguliert das autonome Nervensystem die unwillkürlichen Reaktionen und sorgt dafür, dass der Körper sowohl in Stress, als auch in Ruhephasen, die Homöostase aufrecht erhält.
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Sinne
Die Sinnessysteme ermöglichen dem Körper, Reize aus der Umwelt wahrzunehmen und zu verarbeiten, um angemessen darauf reagieren und sich anpassen zu können. Spezialisierte Rezeptoren erfassen sensorische Reize und leiten die Informationen an das zentrale Nervensystem (ZNS) weiter, wo sie verarbeitet und integriert werden, um ein umfassendes Bild der Außenwelt zu erzeugen.
Allgemeine Sinne
Zu den allgemeinen Sinnen zählen Berührung, Temperatur, Schmerz, Druck und Propriozeption, das Empfinden für die Position und Bewegung des eigenen Körpers. Diese Sinneseindrücke werden von Rezeptoren erfasst, die über den gesamten Körper verteilt sind:
- Mechanorezeptoren registrieren Druck und Vibration,
- Thermorezeptoren reagieren auf Temperaturveränderungen,
- Nozizeptoren melden Schmerzreize,
- Propriozeptoren liefern Informationen über Muskelspannung und Gelenkstellung.
Spezielle Sinne
Die speziellen Sinne sind komplexer aufgebaut und umfassen spezialisierte Sinnesorgane:
- Das Sehen wird durch die Augen vermittelt, die Lichtreize aufnehmen und in elektrische Signale umwandeln. Diese Signale werden von der im Okzipitallappen verarbeitet, um Bilder zu erzeugen.
- Beim Hören nimmt das Ohr Schallwellen auf, die von den Haarzellen in der Cochlea in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese Signale werden dann von der Hörrinde im Temporallappen verarbeitet.
- Geruch und Geschmack sind chemische Sinne, die in der Luft befindliche bzw. lösliche chemische Stoffe wahrnehmen. Die Geruchsrezeptoren in der Nase und die Geschmacksknospen auf der Zunge senden Signale an das Gehirn, die als spezifische Gerüche und Geschmäcker interpretiert werden.
Vestibuläre Empfindungen sind für das Gleichgewicht und die räumliche Orientierung von entscheidender Bedeutung und ermöglichen es dem Körper, Veränderungen der Kopfposition und -bewegung zu erkennen. Das vestibuläre System befindet sich im Innenohr und besteht aus zwei Hauptkomponenten:
- Die Bogengänge, die Rotationsbewegungen des Kopfes wahrnehmen. Jeder der drei Kanäle ist in einer anderen Ebene ausgerichtet (horizontal, anterior und posterior) und mit Flüssigkeit gefüllt, die sich bewegt, wenn sich der Kopf dreht. Diese Bewegung krümmt die Haarzellen in den Kanälen und sendet Signale an das Gehirn, um die Körperhaltung und die Augenbewegungen anzupassen.
- Die Maculaorgane (Utriculus und Sacculus) nehmen lineare Beschleunigungen und Gravitationskräfte wahr. Diese Strukturen enthalten kleine Kristalle, die sich als Reaktion auf Kopfbewegungen verschieben und Haarzellen aktivieren. Diese liefern Informationen über Veränderungen der Kopfposition, wie zum Beispiel Neigen oder Vorwärtsbewegung.
Signale aus dem vestibulären System werden zu den vestibulären Kernen im Hirnstamm gesendet und dort mit visuellen und propriozeptiven Informationen integriert. Dies hilft, das Gleichgewicht zu halten, Augenbewegungen mit Kopfbewegungen zu koordinieren (vestibulookulärer Reflex) und die Körperhaltung anzupassen. Dies ist entscheidend für Aktivitäten wie Gehen, Laufen oder Stehenbleiben.
Neuronale Signalübertragung
Im Mittelpunkt der Neurophysiologie stehen die Mechanismen, die die Kommunikation von Neuronen untereinander sowie mit anderen Zellen im Körper steuern. Diese Kommunikation, die auch als neuronale Signalübertragung bezeichnet wird, erfolgt durch die Übertragung von elektrischen Impulsen, den so genannten Aktionspotentialen, entlang der verschiedenen Teile eines Neurons. Wenn ein Aktionspotential das Ende eines Axons erreicht, löst es die Freisetzung von Neurotransmittern aus – chemischen Botenstoffen, die die Synapse, den Spalt zwischen den Neuronen, passieren. Diese Neurotransmitter binden sich an Rezeptoren auf dem benachbarten Neuron, was zur Erzeugung eines neuen elektrischen Signals in diesem Neuron führt. Dieser komplexe Prozess ermöglicht es dem Nervensystem, Informationen schnell zu verarbeiten und darauf zu reagieren, was sowohl einfache Reflexe als auch komplexe Denkprozesse ermöglicht.
Ruhemembranpotential
Das Ruhemembranpotential bezeichnet die elektrische Potentialdifferenz über der Membran eines Neurons, wenn es keine aktiven Signale überträgt. Es liegt bei etwa -70 Millivolt (mV), wobei das Innere der Zelle im Vergleich zur Außenseite negativer ist. Dieses Potential wird durch die Verteilung von Ionen, insbesondere Natrium (Na+), Kalium (K+) und Chlorid (Cl-), sowie durch die Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe (Na+/K+-ATPase) aufrechterhalten, die 3 Na+-Ionen aus der Zelle und 2 K+-Ionen in die Zelle transportiert.
Aktionspotential
Aktionspotentiale sind schnelle, vorübergehende Änderungen des Membranpotentials, die sich entlang des Axons ausbreiten. Sie sind für die Übertragung von Nervensignalen unerlässlich. Zu den wichtigsten Phasen eines Aktionspotentials gehören:
- Depolarisation: Wird ausgelöst, wenn das Membranpotential positiver wird, typischerweise aufgrund des Einstroms von Na⁺-Ionen durch spannungsgesteuerte Kanäle.
- Repolarisation: Repolarisation: Nach der Spitze des Aktionspotentials öffnen sich die K⁺-Kanäle, so dass K⁺-Ionen die Zelle verlassen und das negative Membranpotential wiederhergestellt wird.
- Hyperpolarisation: Hyperpolarisation: Das Membranpotential wird aufgrund der anhaltenden K⁺-Kanalaktivität vorübergehend negativer als das Ruhepotential, bevor es in den Ruhezustand zurückkehrt.
Synaptische Übertragung
Synapsen sind die Verbindungsstellen, an denen Neuronen mit anderen Neuronen oder Zielzellen kommunizieren. Es gibt zwei Haupttypen:
- Chemische Synapsen: Freisetzung von Neurotransmittern aus dem präsynaptischen Neuron in den synaptischen Spalt, wo sie an Rezeptoren des postsynaptischen Neurons binden, was zu Veränderungen des Membranpotentials führt.
- Elektrische Synapsen: Direkte elektrische Kopplung zwischen Neuronen durch Gap junctions, die eine schnellere Signalübertragung ermöglichen.
Die synaptische Übertragung ist ein grundlegender Prozess in der neuronalen Kommunikation, der die Freisetzung und den Empfang von Neurotransmittern an der Synapse umfasst. Wenn ein Aktionspotential die präsynaptische Endigung eines Neurons erreicht, löst es die Freisetzung von Neurotransmittern aus, die in Vesikeln gespeichert sind. Diese chemischen Botenstoffe werden in den synaptischen Spalt freigesetzt und binden an spezifische Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Diese Bindung bewirkt, dass sich Ionenkanäle öffnen, was zu Veränderungen des Membranpotentials des postsynaptischen Neurons führt. Je nach Art des freigesetzten Neurotransmitters und des beteiligten Rezeptors kann dies entweder ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) auslösen, das die Wahrscheinlichkeit für ein Aktionspotential erhöht, oder ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP), das diese Wahrscheinlichkeit verringert. Synaptische Plastizität ermöglicht es, dass sich die synaptische Reaktion in Abhängigkeit von ihrer Aktivität verstärken oder abschwächen kann, was eine entscheidende Rolle beim Lernen, bei der Gedächtnisbildung und bei der Anpassungsfähigkeit des Nervensystems spielt.
Neurotransmitter
Neurotransmitter sind chemische Botenstoffe, die Signale über Synapsen von einem Neuron zum anderen übertragen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung einer Vielzahl von Körperfunktionen und Verhaltensweisen, von Stimmung und Schlaf bis hin zu Herzfrequenz und Verdauung.
Neurotransmitter lassen sich anhand ihrer Wirkung auf das postsynaptische Neuron in zwei Kategorien einteilen:
- Exzitatorische (erregende) Neurotransmitter, wie Glutamat, erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das Neuron ein Aktionspotential auslöst. Glutamat ist der am häufigsten vorkommende erregende Neurotransmitter im Gehirn und spielt eine zentrale Rolle bei kognitiven Funktionen wie Lernen und Gedächtnis.
- Inhibitorische (hemmende) Neurotransmitter, wie Gamma-Aminobuttersäure (GABA), verringern die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials. GABA spielt eine Schlüsselrolle bei der Verminderung der neuronalen Erregbarkeit und der Verhinderung einer Überstimulation, was für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der Hirnaktivität entscheidend ist.
Klinik
Neurologische Erkrankungen
Neurologische Erkrankungen umfassen ein breites Spektrum von Störungen, die das Nervensystem, einschließlich des Gehirns, des Rückenmarks und der peripheren Nerven, betreffen. Diese Störungen können auf genetische Faktoren, Infektionen, Verletzungen, degenerative Prozesse oder Umwelteinflüsse zurückzuführen sein. Das Verständnis der neurophysiologischen Grundlagen dieser Erkrankungen ist für die Entwicklung wirksamer Behandlungen und Therapien unerlässlich.
- Alzheimer: Fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von Neuronen und Synapsen, insbesondere im Hippocampus und in der Großhirnrinde, gekennzeichnet ist. Dies führt zu Gedächtnisverlust, kognitivem Abbau und Persönlichkeitsveränderungen. Die Anhäufung von Amyloid- und Tau-Ablagerungen im Gehirn sind charakteristische Merkmale der Alzheimer-Krankheit. Die derzeitigen Behandlungen konzentrieren sich auf die Linderung der Symptome und die Verlangsamung des Krankheitsverlaufs.
- Epilepsie: Durch wiederkehrende, unvorhersehbare Anfälle gekennzeichnet, die durch abnorme elektrische Aktivität im Gehirn verursacht werden. Epilepsie kann durch genetische Faktoren, Hirnverletzungen oder Entwicklungsstörungen verursacht werden. Die Behandlung erfolgt häufig mit krampflösenden Medikamenten, die die neuronale Aktivität stabilisieren und Anfälle verhindern.
- Multiple Sklerose (MS): Autoimmunerkrankung, bei der das Immunsystem die Myelinscheide, die Schutzhülle der Nervenfasern, angreift. Dies führt zu einer gestörten Kommunikation zwischen dem Gehirn und dem Rest des Körpers und verursacht Symptome wie Muskelschwäche, Koordinationsprobleme und Müdigkeit. Die Behandlung konzentriert sich auf die Linderung der Symptome, die Verlangsamung des Krankheitsverlaufs und die Regulierung der Immunreaktion.
- Schlaganfall: Zu einem Schlaganfall kommt es, wenn die Blutzufuhr zu einem Teil des Gehirns unterbrochen oder reduziert wird, wodurch dem Gehirngewebe Sauerstoff und Nährstoffe entzogen werden. Dies kann zum Absterben von Zellen und zum Funktionsverlust in dem betroffenen Bereich führen. Die Auswirkungen eines Schlaganfalls hängen von der Schwere und der Lokalisation ab und reichen von leichten Sprach- oder Bewegungsstörungen bis hin zu vollständigen Lähmungen oder dem Tod. Rehabilitation und medikamentöse Behandlung sind wichtige Bestandteile der Schlaganfallbehandlung und -prävention.
- Parkinson: Neurodegenerative Erkrankung, die durch den fortschreitenden Verlust von dopaminproduzierenden Neuronen in den Basalganglien gekennzeichnet ist und zu motorischen Symptomen wie Zittern, Steifheit, Bradykinesie (Verlangsamung der Bewegungen) und Haltungsschwäche führt. Die Behandlung umfasst in der Regel Medikamente, die den Dopaminspiegel erhöhen oder seine Wirkung imitieren, sowie Physiotherapie zur Behandlung der Symptome.
- Migräne: Neurologische Erkrankung, die zu starken, wiederkehrenden Kopfschmerzen führt, die oft von anderen Symptomen wie Übelkeit, Erbrechen und Licht- und Geräuschempfindlichkeit begleitet werden. Man geht davon aus, dass Migräne mit einer abnormen Hirnaktivität zusammenhängt, die Nervensignale, das chemische Gleichgewicht und Blutgefäße im Gehirn beeinflusst. Die Behandlung umfasst Medikamente zur Linderung der Symptome und zur Vorbeugung künftiger Anfälle.
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